(浙江科学院)第一章 控制系统导论.doc

第一章 控制系统导论 -  PAGE 18 - 第一章 控制系统导论 本章提纲 1.1自动控制的基本原理 1.2 自动控制系统的分类 1.3 对控制系统的基本要求 1.4自动控制的发展简史 1.5控制系统设计导论 本章小结 本章重点： 自动控制与自动控制系统的基本概念；自动控制系统各个基本物理量；系统的方框图的绘制；自动控制系统的分类，对控制系统的基本要求，自动控制的历史等问题。 导论 这门课程研究的是系统的分析方法，因此，我们首先应对系统的概念有所了解。 1、系统的概念 所谓系统，是指若干个环节以一定的方式组合起来，并能够完成或实现一定功能的集合。如：血液循环系统、神经系统；商品流通系统、自动控制系统等等。 要想对系统进行分析、处理，甚至设计一个系统，则首先需要对系统进行一个客观地、准确地描述。描述需要通过语言来表达，并通过不同的形式、不同的视角对一个事物、一个系统进行描述。犹如学生要解一道题时，首先要审题，看懂题，什么叫看懂了，就是说能够把题的中含义能够作作图啊、绘制曲线等方式描述出来，描述的越准确，越符合题意，计算的结果就会越正确，通常说，对问题能够正确地描述（题意弄懂了），问题也就等于做了一半。 2、系统的描述方法 从系统的组成角度来描述可以有如下结论：系统是由若干个子系统（或叫小系统或叫环节）组成。换句话说，系统可以分解为若干个子系统（或叫小系统或叫环节）。 从系统的不同方式，不同用途，不同的结构形式都可以进行分类描述。 3、描述语言或手段： 雕塑、绘画、物理模型、数学公式（模型）各种座标曲线等等，都可以视为表达人们观察事物或系统后的一种描述语言或描述方法。 雕塑家用雕塑语言，如泥雕、浮雕等等，来表达他心中的事物映像。 画家用绘画语言，如油画、水彩画等等，来表达他心中的事物映像； 而工程师则用数学语言，如微分方程、代数方程，各种变换，来表达他心中的事物映像。 要分析问题，首先要求对问题或研究对象的描述要准确、要反映问题的实质的内在的东西。从这一点出发，数学语言的描述（表现形式是数学表达式或数学模型）通常是较为准确的，特别是微分方程，能够反映事物发展变化过程中每一瞬间的速度、位置、姿态等物理量的信息，使得人们能够更深入地去分析研究事物变化过程，从而采取改进措施和控制。这也是为什么这门课程要反复运用数学工具或数学模型来描述系统的原因。 例如：什么叫做两个相同的系统。相同的概念是指什么？ 相同的概念是指两个系统具有相同的数学模型，当两个系统数学模型相同时，尽管其外在形式不同，仍视为相同的系统。看下面两个系统就可知道： 仅仅有了语言还不够，语言仅仅是一个描述事物或系统的一个工具。还要拥有相关事物的大量信息和数据。这些信息和数据主要来源于对事物或系统的观察，并以此做为语言描述的依据，而这些信息和数据又与观察者所与被观察者的相对位置和的角度有关，于是有： 从时域角度观察，根据系统的输入量与输出量随时间变化的过程中得到的信息和数据，并运用数学方法和手段进行描述，如输入量与输出量随时间的变化曲线；输入量与输出量之间的函数关系表达式；系统内部的结构框图；动态微分方程等形式。依据数学的描述结果，对事物和系统进行分析就形成了一整套的时域分析方法。 同样道理，如从频域角度观察，根据系统的输入量与输出量随频率的变化的过程中得到的信息和数据，并运用数学方法和手段进行描述，如输入量与输出量随频率的变化曲线（频谱曲线）；输入量与输出量之间的频谱函数关系表达式等形式。依据数学的描述结果，对事物和系统进行分析就形成了一整套的频域分析方法。 从系统中的每个环节或子系统输入量与输出量之间（数学描述）的相互关系去观察，又形成了系统结构框图分析方法。 从系统的数学描述表达式或数学模型中的根的变化轨迹去观察，又形成了根轨迹分析方法。 由此看出，无论哪种方法，数学是基础。主要是高等数学、工程数学中的各种变换、高中的代数基础。 无论你采用什么分析方法，凡是通过对系统的分解，逐一地进行分析，从而得到整个系统的特性，并对系统加以校正，使得其外部特性符合人们对系统的要求的方法都叫做——系统分析方法。 而对系统的外部特性首先做一个设计，使其满足人们对系统的要求，这一特性也称为期望特性或理想特性。为了实现这一期望特性，反过来要求系统应具有什么样的结构或应设计系统应具有什么样的结构的方法和过程，称之为系统的设计与综合。 分析与设计是两个相逆的思维过程。 本门课程首先从分析方法入手，重点掌握分析方法，其次，再学习综合的方法。 1.1 自动控制的基本原理 一、自动控制与自动控制系统的一般概念 控制的概念 某个主体使其它对象按照一定的规律和目的来动作的过程叫控制。 控